液滴微流控技术的发展与挑战

微流控芯片

上个世纪90年代，微流控技术因其精准的样本处理和加速生化反应能力，被广泛应用于生物、化学和医学研究领域。微流控是指在微尺度空间对流体进行操控的一种技术，该技术可以将化学、生物等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上，因此又被称为芯片上的实验室（Lab on Chip）。

相比于传统的检测技术，微流控技术把样品反应、制备、分离、检测等生化实验的基本操作集成到很小的芯片上，以可控流体由微通道形成网络贯穿于微流控系统，在更小的尺度内实现了常规生化实验室各项功能的同时，降低了分析检测的试剂消耗量，加快了反应速度，提高了反应效率，使得实验可控性更强。

近年来，随着传统微流控技术的积累，利用互不相溶的两液相产生分散的微液滴进行实验操作的液滴微流控技术快速发展了起来。微液滴，也称为“微型反应器”，可在纳升至皮升级的微液滴中进行生化反应。

通过将微流控技术与微液滴技术相结合，液滴微流控技术在提高了检测灵敏度的同时，大大提高了反应的通量，实现了反应通量从1到10⁷的变革，为生物检测及新药研发提供了全新的平台。液滴微流控技术具有诸多技术优势，包括体积微小、生成速度快、通量高、大小均匀、体系封闭、单分散性良好等。

以生物医药领域常用的生物标志物检测为例：人体组织或生物体液中的核酸、蛋白质、单细胞或小分子等的可靠检测可用于确认或预测疾病和疾病状态。因此，高灵敏的生物标志物检测在疾病诊断、治疗和药物筛选等在内的各种应用中至关重要。不幸的是，对于许多疾病，人类样本中的生物标志物丰度较低，传统检测方法无法进行精准的检测和筛查。

而液滴微流控装置可以将大体积样品离散成数千到数百万个微液滴——每个微液滴都用作一个隔离的反应室，将靶标分子隔离在每个反应室中独立进行反应——因此具有实现高灵敏度检测的潜力。毕竟，体积的显著减少有助于背景的等效减少和目标生物标志物的浓度的急剧增加，这反过来又增加了每个分离反应的信号与背景比，同时，独立的反应单元，也避免了反应之间的互相干扰，从而增加了测定的整体灵敏度。这种量变而带来的质变，正是液滴微流控技术将会带领生物产业升级的原因。

除此之外，液滴微流控技术在医药研发领域也具有广泛的应用前景。首先可用于快速单克隆抗体筛选，将传统单克隆抗体筛选时间从3个月缩短到一天内完成：传统的杂交瘤及单B细胞、纳米抗体筛选技术不但工作量大、周期长，且成本高。

液滴微流控技术可快速将10⁵-10⁶细胞包裹成纳升级的反应检测体系，以Droplet ELISA方式在细胞包裹后几个小时内快速筛选出高表达细胞株，替代传统微孔板ELISA 的单克隆筛选，将之前几周的筛选工作压缩到一天内完成，并能更精准、高效地筛选出分泌目标抗体分子的杂交瘤细胞、单B细胞或噬菌体。

其次可用于优化细胞治疗的靶点，例如在TCR-T疗法中，在TCR转录之后，需要对大量的T细胞进行筛选以寻找正确的TCR-T细胞克隆，传统的方法不但繁琐、耗时且昂贵。

基于微流控液滴分选技术，在T细胞工程改造时引入报告基因，之后和靶标肿瘤细胞同时包裹到微液滴中，之后即可根据报告基因荧光信号实时监测单个TCR-T细胞在识别靶肿瘤细胞后的激活情况并筛选出功能性TCR-T细胞，基于微流控液滴分选技术的TCR筛选原型为促进免疫治疗筛选和T细胞治疗的发展提供了一个革新性的工具。

另外还可为药物的递送和释放搭建全新平台，提供新的研究方向：例如，使用液滴微流控技术来评估细胞中的药物摄取、消逝与细胞毒性，并在单细胞和多细胞的相互作用中建立了适合药物筛选的液滴微流控平台。

当然，液滴微流控技术目前也存在诸多挑战。首先，作为液滴微流控技术的核心元器件之一，微流控芯片的设计与制作非常关键，目前聚二甲基硅氧烷（PDMS）和软光刻技术被广泛应用于微流控芯片的制备，但是为了进一步实现商业化生产和临床应用，更低廉、稳定的芯片制作材料，以及更简单便捷的芯片加工工艺也需要进一步的研究和探索。

其次，液滴微流控产生的液滴体积非常小、速度快、数量多，如何实现对大量微液滴进行快速检测分析也是一个难点。

最后，大规模集成是微流控芯片的一个显著优势，但是如何将模块化的液滴微流控单元与上下游功能单元大规模集成于一个多功能的微流控平台并实现自动化智能操作，仍然需要进一步的努力和研究。

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